Устройство для определения линейных продольных перемещений поверхности Советский патент 1993 года по МПК G01B11/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение для определения линейных продольных перемещений поверхности в робототехнике, машиностроении, других отраслях промышленности и научных исследованиях,

Цель изобретения - расширение диапазона измеряемых линейных продольных перемещений и области использования.

Поставленная цель достигается тем, что заявляемое устройство для определения продольных линейных перемещений поверхности, содержащее лазер, линзовую систему, диафрагму и фотоэлектрический датчик отличается тем, что .с целью расширения диапазона измеряемых перемещений поверхности и области использования, оно снабжено диффузно-рэссеивающим элементом, установленным на оптической оси с линзовой системой, жестко крепящейся на исследуемой поверхности, с возможностью вращения его вокруг оси, параллельной оптической оси, и анализатором спектра, электрически связанным с фотоэлектрическим датчиком.

На фиг. 1 изображено устройство. Устройство содержит лазер 1, оптически связанный с помощью волоконно-оптического световода 7 с линзовой системой 2, жестко закрепленной на исследуемой поверхности, диафрагму 3 и вращающийся дмффузмо-рассеивающий элемент 4, установленный на оптической оси с линзовой системой 2, фотоэлектрический датчик 5 и анализатор спектра 6.

Устройство используют следующим образом. Лазерным пучком от лазера 1, с заданной с помощью линзового элемента 2 степенью расходимости, освещают диффуз- но-рассеивающий элемент 4, вращающийся с некоторой скоростью v в направлении, перпендикулярном оси распространения пучка, и находящийся на строго фиксированном расстоянии от линзового элемента 2.

Для уменьшения паразитной засветки ФЭУ посторонним излучением (дневным, от лампы накаливания и т.п.) служит светофильтр 8.

Вращение диффузно-рассеивающёго элемента 4 приводит к изменению спекл-по- ля, образованного рассеянном когерентным излучением. Через полевую диафрагму 3 с помощью фотоэлектрического датчика 5 регистрируют и преобразуют флуктуации интенсивности спекл-поля в электрический сигнал, который поступает на анализатор спектра 6. Анализатор 6 в свою очередь производит разложение полученного электрического сигнала в спектр. Перемещая в

0

5

0

5

0

5

0

продольном направлении поверхность, с укрепленным на ней линзовым элементом, регистрируют амплитуду А спектральной гармоники в спектре флуктуации интенсивности спекл-поля и строят калибровочную кривую зависимости амплитуды А от продольной координаты датчика Z, Перемещение контролируемой поверхности приводит к изменению геометрических параметров оптической схемы устройства, таких как диаметр освещаемого участка поверхности диффузно-рассеивающёго элемента, расстояния от фокуса линзового элемента до диффузно-рассеивающёго элемента, а следовательно и радиуса кривизны волнового фронта, падающего на диффузно-рассеива- ющий элемент. Изменение этих параметров оказывается на динамической трансформации спекл-поля и проявляется, в частности в изменении амплитуды А спектральной гармоники флуктуации интенсивности регистрируемого поля. Произведенные измерения зависимости амплитуды спектральной кривой от продольного перемещения контролируемой поверхности позволяют получить калибровочную кривую, с помощью которой можно определить линейное продольное перемещение поверхности.

Пусть лазерный пучок с шириной WQ освещает на движущемся со скоростью v диф- фузно-рассеивающем элементе участок диаметром w. Расстояние от перетяжки до диффузно-рассеивающёго элемента -Z. Наблюдение динамического спекл-поля проводим в плоскости на расстоянии R от диффузно-рассеивающёго элемента. Если временной интервал между измерениями обозначить через т, то временную автокорреляционную функцию флуктуации интенсивности в заданной точке регистрации можно записать в следующем виде

yA()exrf-4(Jj+-i)-1, (1)

v2 V AX2J

дх

регистрации;

параметре (1

р- кривизна волнового фронта, освещающего пучка.

- размер спекла в плоскости

+

Зависимость уД|(г) от Z достаточно сложная. Отмечено, что w2 (1 + Z2L2/ /л wo4), p Z(1 + л w02/L2Z) и в реальных схемах не трудно выбрать участок, где зависимость от Z будет монотонной. При практической реализации устройства исследуется спектр флуктуации интенсивности, который имеет вид

A A(V) ехр( - W (Jj + 2)). (2)

В устройстве для определения линейных продольных перемещений поверхности исследуется соотношение (2). Для измерения линейного перемещения контролируемой поверхности в продольном направлении, на полученной экспериментально калибровочной кривой для данной оптической схемы, выбирается линейный участок, .на котором изменение амплитуды спектральной гармоники прямо пропорционально продольному смещению контролируемой поверхности. Таким образом, измерив амплитуду спектральной гармоники, используя линейный участок калибровочной кривой, можно определить величину линейного продольного перемещения поверхности (см. пример).

Пример. Исследовалась возможность определения линейного продольного перемещения подвижной тележки с укрепленной на ней линзой, путем регистрации измененияамплитуды спектральной гармоники спекл-поля, образованного рассеянным от вращающего диффузно-пропу- скающего диска лазерным излучением, на частоте вращения при линейном перемещении подвижной тележки с укрепленной на ней линзой в продольном направлении. Частота вращения диска равна 60 Гц. Фокусное расстояние линзы 11 см. Размер отверстия полевой диафрагмы равен 120 мкм.

Полученные данные приведены на фиг 2. Показан участок калибровочной кривом. на котором изменение амплитуды спектральной гармоники (частота 60 Гц) флуктуа 5 цийспекл-поля от диффузно-пропускающего диска прямо пропорциональна перемещению подвижной тележки в продольном направлении. Изобретение позволяет расширить диэпа0 зон измерений продольного перемещения примерно на два порядка в сравнении с прототипом, а также позволяет значительно упростить конструкцию устройства. Диапазон смещений в данном примере равен 10

5 см. Вращающийся диффузно-рассеиваю- щий диск, .полевую диафрагму и фотоэлектрический датчик можно выполнить в виде единого блока.

Ф о р мул а .и з о б рете н и я

0 Устройство для определения линейных продольных перемещений поверхности, содержащее лазер, линзовую систему, оптически связанную с лазером, диафрагму и фотоэлектрический датчик, отличающе5 е с я тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых перемещений поверхности и области использования, оно снабжено диффузно рассеивающим элементом, установленным на одной с линзовой системой

0 оптической оси с возможностью вращения вокруг нее. и анализатором спектра, электрически связанным с фотоэлектрическим датчиком, а линзовая система предназначена для жесткого закрепления на исследуе5 мой поверхности.

8 Ю П ft 16 78 W Z,cn Фие.г

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение для измерений смещений в системах с позиционированием режущего, сварочного, маркирующего инструмента, в роботизированных обрабатывающих центрах. Цель изобретения - расширение диапазона измеряемых продольных линейных перемещений поверхности и области использования. Устройство содержит лазер 1, оптически связанный с линзовой системой 2. жестко закрепленной на исследуемой поверхности, диафрагму 3 и вращающийся диффузно-рассеивающий элемент 4. установленный на оптической оси с линзовой системой 2, фотоэлектрический датчик 5 и анализатор 6 спектра. Вращение диффузно-рассеивающего элемента 4 приводит к изменению спекл-поля, образованном рассеянным когерентным излучением. Через полевую диафрагму 3 с помощью фотоэлектрического датчика 5 регистрируют и преобразуют флуктуации интенсивности спекл-поля в электрический сигнал, который поступает на анализатор 6 спектра. Определение линейного продольного перемещения поверхности производят по изменению амплитуды спектральной гармоники в спектре флуктуаций интенсивности спекл-поля. 2 ил. (Л С